№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК:533.9
© 2009 г. ОНУФРИЕВ В.В., СИНЯВСКИЙ В.В.*
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТЕРМОЭМИССИОННОГО ВЕНТИЛЯ С ТЕПЛОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Предложено новое устройство - плазменный тепловой тиристор. Проведено экспериментальное исследование процесса поджига самостоятельного дугового разряда при воздействии на ионный приэлектродный слой неэлектрическим методом. Управление разрядом реализовано в вентиле с плоскоцилиндрической геометрией межэлектродного зазора и цезиевым наполнением. Приведена конструкция управляемого вентиля. Описана феноменологическая модель поджига самостоятельного дугового разряда в режиме управления током. Получены экспериментальные управляющие характеристики плазменного теплового тиристора.
Экспериментальное исследование обратного дугового пробоя в высоковольтном термоэмиссионном вентиле с паровым наполнением (цезиевое или бариевое) [1, 2] выявило особенность процесса зажигания самостоятельного дугового разряда (обратного дугового пробоя) в межэлектродном зазоре (МЭЗ). Она заключается в постоянстве величины напряжения зажигания самостоятельного дугового разряда (ипроб) при фиксированных величинах давления рабочего тела (pCs) и температуры отрицательного электрода (катода) (Тк). Форма экспериментальных кривых U 6(pCs; Тк) (рис. 1) показывает, что снижение величины напряжения зажигания обратного дугового разряда связано с увеличениемpCs и Тк. Вид кривых U 6(pCs; Тк) аналогичен левой ветви кривых Пашена [3, 4].
В экспериментах [1, 2] использовалась металлокерамическая модель высокотемпературного высоковольтного вентиля с плоскоцилиндрической геометрией электродов. МЭЗ между анодом и катодом составил АМЭЗ = 3,5-7,8 мм, диаметр электродов D3n = 16 мм. Диапазон изменения теплофизических параметров вентиля в эксперименте составил: pCs = 1-26,6 Па; Тк = 580-900 К; Та = 1200-1800 К.
Экспериментальные зависимости ипроб(рС8; Тк) были обработаны по параметру Разора (Тк/ТСк). Эквидистантная форма зависимостей ипроб(Тк/Тс8, Тк) при различных температурах катода (рис. 1) указывает на идентичность процессов в катодном слое высоковольтного плотного тлеющего разряда в парах цезия и подчеркивает превалирующую роль эмиссионных процессов в предпробойном состоянии МЭЗ. Разброс величины ипроб (при фиксированных значениях pCs и Тк) составляет >6-8 В, абсолютное значение величины напряжения - ипроб = 500-1000 В.
Разряд в высоковольтной слаботочной форме существует стационарно длительное время без перехода из тлеющего в самостоятельный дуговой при напряжении Up = = (0,95-0,98) ипроб. Контроль температуры катода показал, что роста Тк не наблюдается. Это свидетельствует о стабильности коэффициента вторичной электронной эмиссии уе и плотности термоэмиссионного тока катода j в указанных условиях. Постоянство величины ипроб при фиксированных pCs и Тк позволило предположить, что
Онуфриев В.В. - МГТУ им. Н.Э. Баумана, Синявский B.B. - РКК "Энергия" им. С.П. Королёва.
Рис. 1. Зависимость напряжения зажигания обратного дугового разряда в вентиле с цезиевым наполнением: Тк, К: 1 - 710; 2 - 731; 3 - 746; 4 - 752; 5 - 781
процесс зажигания разряда связан с изменением характеристик пара цезия в катодном слое, где сконцентрировано основное выделение энергии, что приводит к нарушению энергетического баланса пара в слое с лавинообразным нарастанием тока.
Задача исследования
На основе результатов экспериментального исследования распределения потенциала в МЭЗ в режиме плотного тлеющего разряда показано существование двух характерных областей [3, 4]: объемного отрицательного заряда у поверхности положительного электрода и положительного объемного заряда (ионный слой) у поверхности катода. Таким образом, структура МЭЗ в режиме плотного тлеющего разряда формирует четырехслойную систему областей, положительно и отрицательно заряженных: анод (положительный слой) - область электронного заряда (отрицательный слой) - область ионного заряда (положительный слой) - катод (отрицательный слой), аналогичную полупроводниковым тиристорам. При этом в отличие от твердотельных структур два слоя представляют собой объем частично ионизованного рабочего тела, т.е. имеют регулируемые параметры состояния (температуру пара, концентрацию атомов), причем прозрачность этих слоев по току равна единице (в отличие от сеточных электродов, где эта величина составляет ~40% [5]).
На основе вышеизложенного сформирована цель исследования - реализовать управление током вентиля путем воздействия на область объемного заряда ионов (положительный слой), так как ионный слой в отличие от металлического сеточного электрода может управляться и неэлектрическими воздействиями - тепловым и волновым.
Экспериментальная модель вентиля
Экспериментальная проверка теплового способа управления осуществлена на модели, разработанной в [5-7] и близкой по конструкции (длине МЭЗ и диаметру электродов) и параметрам теплофизического состояния к описанной в [1, 2]. Отличительным признаком новой конструкции является размещение в области катодного слоя
Рис. 2. Катод плазменного тиристора (а, б): 1 - катод; 2 - дополнительный эмиттер; 3 - тепло- и электроизолирующая вставка (синтетическая слюда); 4 - диск (танталовая фольга); 5 - отверстие для десорбции термоэлектронов и пучка атомов. Ленточный электрод - дополнительный эмиттер (в): толщина электрода - 0,01 мм; ширина ленточки - 4 мм, ширина наименьшего сечения - 0,8 мм, материал - тантал
электрода дополнительного эмиттера, конструктивно совмещенного с катодом вентиля (рис. 2). На поверхности катода плоско-цилиндрической геометрии выполнена прямоугольная канавка глубиною 1,5 мм и шириною 5 мм, в которой размещается дополнительный эмиттер, выполненный из танталовой фольги толщиною 0,01 мм, электрически изолированный по обеим поверхностям слоем синтетической слюды толщиною ~2,5 мм, набранным из пластинок толщиною 0,1 мм. Фольга имеет переменную ширину сечения от 4 до 0,8 мм в центральной части (рис. 2, б). На поверхность катода наварен диск из танталовой фольги толщиной 0,1 мм с отверстием в центре диаметром 1,8 мм. В слое слюды со стороны МЭЗ выполнено отверстие коаксиально с отверстием в диске диаметром 1мм. Контроль температуры электродом осуществлялся термопарами вольфрам-рений (ВР5-ВР20) компенсационным методом прибором ПП-63 класса точности 0,01.
Участок танталовой фольги, имеющий минимальное поперечное сечение и расположенный напротив отверстий в слое слюды и диске, является дополнительным эмиттером термоэлектронов и "горячих" атомов при импульсном увеличении его температуры по сравнению с температурой катода Тк. Поскольку температура импульсно де-сорбируемых атомов с поверхности дополнительного эмиттера в ионный слой больше, чем атомов пара в МЭЗ, то вследствие перезарядки они перегреваются в катодном слое до более высокой температуры, что может сформировать условия термического пробоя слоя. Эмиссия электронов в область ионного слоя способствует развитию ионизационных процессов и зажиганию дугового разряда, что экспериментально подтверждено в [2] при исследовании влияния Тк на ипроб. Отметим, что импульсная десорбция пучка атомов с поверхности дополнительного эмиттера может привести к локальному увеличению давления пара в катодном слое.
Для исследования влияния на катодный слой пучка десорбируемых "горячих" атомов для уменьшения термоэмиссионного тока электронов в отдельной серии экспериментов центральная часть ленточного дополнительного эмиттера в направлении МЭЗ была закрыта синтетической слюдой толщиной 0,1 мм.
Для третьей серии экспериментов с целью проверки управляемости прибора воздействием и на положительный ионный слой, и на отрицательный слой у анода был изготовлен вентиль с дополнительными эмиттерами на обоих электродах (аноде и катоде). Импульс тока прогрева дополнительного эмиттера формировался электронным ключом от емкостной батареи, выполненной на электролитических конденсаторах (С = 2000 мкФ, и = 16 В) с регулируемой энергией импульса и длительностью
Результаты экспериментального исследования
В результате экспериментального исследования установлено, что управление током вентиля реализуется только за счет импульсного воздействия на ионный слой у катода. Аналогичное воздействие на отрицательный слой у анода не привело к изменению проводимости вентиля. Экспериментально обнаружена зависимость величины напряжения зажигания дугового разряда (включения теплового тиристора) ивкл от величины температуры дополнительного эмиттера Тэ.
Оценка Тэ осуществлялась по уравнению теплового баланса и дополнительно по следующей методике. Температура катода Тк, при которой экспериментально определялась величина напряжения обратного дугового пробоя вентиля при импульсном прогреве дополнительного эмиттера ивкл(рС8, Тэ), увеличивалась до величины Т* , при которой напряжение включения теплового тиристора становилось равным напряжению зажигания обратного дугового разряда ипроб( Т* /ТСк, Т*) = ивкл(рС8, Тэ). На основании этого предполагалось равенство Т* = Тэ. Указанный подход совместно с решением уравнения теплового баланса позволил оценить температуру дополнительного эмиттера с погрешностью ДТэ = 10 К, что вполне приемлемо в условиях эксперимента.
Полученные экспериментальные управляющие характеристики ивкл(рС8, Тэ) были обработаны по параметру Разора и приведены на рис. 3 в координатах: ивкл(Тд/ТС8, Тэ) -Тэ/ТСк. Управляющие характеристики плазменного теплового тиристора получены для двух случаев:
- открытого в межэлектродный зазор дополнительного эмиттера (пунктирные линии 2,а - 5,а на рис. 3);
- закрытого синтетической слюдой со стороны межэлектродного зазора дополнительного эмиттера (штрих-пунктирные линии 2,6 - 5,6).
В сравнении с зависимостью напряжения зажигания обратного дугового разряда ипроб(Тк/ТС8, Тк) (кривая 1), полученной для Тк = 602 К, управляющие характеристики имеют больший наклон к горизонтальной оси, который увеличивается с ростом Тэ, что, по-видимому, связано с суммарным действием эмиссии как электронов, так и "горячих" атомов в ионный слой. У
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.